De 0 à 100 en 12 minutes : feuille de route pour les batteries lithium-soufre
Une étude internationale montre le potentiel des batteries lithium-soufre à charge rapide pour l'e-mobilité et la transition énergétique
Aller chercher un café et la voiture est entièrement chargée - c'est ainsi que beaucoup s'imaginent la mobilité du futur. Mais les batteries actuelles en sont encore loin. Certes, les batteries lithium-ion modernes se chargent de 20 à 80 pour cent en 20 à 30 minutes environ, mais une charge complète dure nettement plus longtemps - et la charge rapide sollicite fortement les cellules.
Jakob Offermann (à gauche) et le Dr Mozaffar Abdollahifar (à droite) avec une batterie au lithium-ion.
© Christina Anders, Uni Kiel
Une nouvelle étude internationale publiée dans la revue spécialisée "Advanced Energy Materials" montre comment les batteries lithium-soufre (LSB) pourraient surmonter ces limites. Des chercheurs d'Allemagne, d'Inde et de Taïwan - coordonnés par le Dr Mozaffar Abdollahifar du groupe du professeur Rainer Adelung de l'Université Christian Albrecht de Kiel (CAU) - ont analysé systématiquement des centaines d'études actuelles et expliquent quels mécanismes permettent aux LSB de fonctionner de manière stable et performante, même à des vitesses de charge élevées. Leur objectif : des temps de charge inférieurs à 30 minutes - voire à douze minutes dans le cas idéal - tout en augmentant la densité énergétique et l'autonomie.
Des batteries au lithium-soufre : Plus d'autonomie, une charge plus rapide
Les LSB sont considérées comme les successeurs prometteurs des batteries lithium-ion établies. Dans ces dernières, les ions lithium sont insérés et retirés des matériaux d'électrode solides, tandis que dans les LSB, des réactions chimiques se produisent et donnent naissance à de nouveaux composés. Une anode métallique au lithium est utilisée en combinaison avec une cathode au soufre, ce qui donne théoriquement une capacité de 2600 wattheures par kilogramme - environ dix fois plus que les systèmes conventionnels. Les véhicules électriques pourraient ainsi à l'avenir parcourir des distances nettement plus longues avec une seule charge.
Autre avantage : le soufre est bon marché, disponible dans le monde entier, écologique et non toxique - sur le plan économique également, de nombreux arguments plaident en faveur d'un passage au soufre comme matériau cathodique.
Les défis techniques de la technologie LSB
Jusqu'à présent, des obstacles techniques empêchent toutefois une application à grande échelle : le soufre est un isolant électrique et doit être combiné avec des additifs conducteurs - ce qui augmente le poids de la batterie. La cathode se dilate jusqu'à 80 pour cent lors de la charge et de la décharge, ce qui peut nuire à la stabilité mécanique et à la durée de vie.
À cela s'ajoute "l'effet navette" : pendant la décharge, des polysulfures de lithium solubles se forment et migrent vers l'anode où ils provoquent des réactions secondaires indésirables - avec des conséquences négatives sur l'efficacité et la stabilité. "En outre, des dendrites - des structures en forme d'aiguilles - peuvent se développer sur l'anode lithium-métal, ce qui peut provoquer des courts-circuits et, dans le pire des cas, des incendies", explique Jakob Offermann, premier auteur.
Stratégies pour une charge rapide avec une sécurité élevée
L'étude examine de manière ciblée des travaux avec des temps de charge particulièrement rapides (à partir de 2C, c'est-à-dire une charge en moins de 30 minutes) et une charge de soufre élevée - deux éléments décisifs pour la pratique. Les solutions importantes sont les suivantes :
- Conception de la cathode : des structures carbonées conductrices, comme les nanotubes, le graphène ou le charbon actif, améliorent le transport des ions et l'utilisation du soufre - même en cas de charge élevée du matériau. Les carbones riches en défauts et dopés contribuent en outre à réduire l'effet de navette.
- Matériaux catalytiques : les oxydes métalliques, les chalcogénures ou les catalyseurs à atome unique accélèrent les réactions de sulfuration et réduisent l'effet de navette.
- Séparateurs optimisés : Des couches de séparation fonctionnelles capturent les polysulfures et favorisent le transport rapide des ions.
- De nouveaux systèmes d'électrolytes : Des électrolytes solides et hautement concentrés ainsi que des additifs spéciaux améliorent la conductivité, la compatibilité avec le lithium métal et suppriment les réactions secondaires.
- Anodes stables : des couches de protection telles que des structures 3D au lithium et des interfaces artificielles empêchent la formation de dendrites.
- Nouvelles formes de soufre : Le soufre γ monoclinique permet une réaction directe à l'état solide - sans effet de navette.
- Développement de matériaux à l'aide de l'intelligence artificielle : les méthodes d'IA accélèrent la recherche de matériaux, prédisent les performances des batteries et aident à concevoir des processus de charge plus efficaces et plus sûrs.
Les LSB, une technologie clé pour l'avenir
"Notre analyse montre que des temps de charge rapide inférieurs à 30 minutes - parfois même à 15 minutes - sont réalistes, tout en augmentant la capacité", explique Mozaffar Abdollahifar. "Actuellement, les premiers prototypes atteignent des valeurs prometteuses d'environ 2 mAh par centimètre carré à des vitesses de charge utilisables dans la pratique. Mais pour vraiment surpasser les batteries lithium-ion existantes, la charge des matériaux et les performances doivent encore être améliorées".
L'étude réunit la science des matériaux, l'électrochimie, la nanotechnologie et la technologie des batteries en une approche globale des batteries à charge rapide. Elle présente une nouvelle méthodologie qui sert de guide pour le développement de LSB performantes, durables et sûres. Avec des critères clairs et une approche systématique, ce travail offre une feuille de route pratique pour la mise en œuvre de LSB à charge rapide dans les domaines de la mobilité et du stockage de l'énergie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
